下頜骨的計(jì)算機(jī)三維重建

【摘要】  目的 建立下頜骨的三維數(shù)字化模型。方法 選擇1具合適的尸體標(biāo)本,經(jīng)固定、動(dòng)脈灌注、包埋、數(shù)據(jù)采集,獲得數(shù)字人數(shù)據(jù)集,取其切片數(shù)據(jù)圖像中與下頜骨有關(guān)的二維圖像，在計(jì)算機(jī)上去噪、描邊、提取其輪廓線,導(dǎo)入Amira醫(yī)學(xué)三維重建軟件進(jìn)行三維重建,生成的下頜骨三維模型行表面光滑處理并渲染。結(jié)果 利用數(shù)字人數(shù)據(jù)得到了下頜骨精細(xì)的三維模型,在三維方向上真實(shí)地再現(xiàn)了下頜骨、下頜牙的解剖形態(tài)，并準(zhǔn)確地顯示下頜管的位置。結(jié)論 應(yīng)用軟件重建方法獲得的下頜骨三維模型, 為下頜骨的影像診斷及正頜外科手術(shù)治療、下頜牙齒種植等提供了解剖學(xué)依據(jù)。 
【關(guān)鍵詞】  下頜骨 三維重建 計(jì)算機(jī)
［ABSTRACT］ObjectiveTo reconstruct a 3D digitizing model of mandible.MethodsA special specimen was choosed, after fixation, perfusion, section and other steps, a digital human data set obtained.  Selecting mandible part image data of digital human to reconstruct 3D model of mandible by using Amira medical reconstruction software. The 3D mandible model was flatted and rendered by software. ResultsA 3D model of mandible was established by using digital human data. The model was fine to show the mandible, teeth and mandiblar cannel.ConclusionA digital 3D model of mandible has been completed, which provides an anatomical basis for imaging diagnosis of mandible, orthognathic surgery and mandible tooth plantation.
    ［KEY WORDS］mandible; there?dimensionl reconstruction; computer
    自計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)結(jié)合以來,三維建模技術(shù)以及三維醫(yī)學(xué)模型開始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)重建，其中包括人體和解剖臟器的模型。在下頜骨三維重建領(lǐng)域,有很多研究運(yùn)用不同的方法獲得人體下頜骨三維模型[1～3],如利用MRI、CT 以及一些機(jī)械化系統(tǒng)重建下頜骨三維模型[4]。本研究利用可視人數(shù)據(jù)重建下頜骨精細(xì)的三維模型,在三維方向上真實(shí)地再現(xiàn)了下頜骨、下頜牙的解剖形態(tài)，并準(zhǔn)確地顯示下頜管的位置，為下頜骨的影像診斷、正頜外科手術(shù)治療及下頜牙齒的種植等提供了解剖學(xué)依據(jù)。
    1  材料和方法
    1.1  材料來源
    尸體標(biāo)本為男性,56歲,死因?yàn)榧毙允澄镏卸?死后3 h,-10 ℃保存,家屬自愿捐獻(xiàn)供醫(yī)學(xué)研究。
    1.2  研究方法
    1.2.1  標(biāo)本固定  利用發(fā)泡劑在膠合板容器中發(fā)泡,再將尸體按正常解剖學(xué)姿勢(shì)放置,發(fā)泡劑逐漸變硬時(shí)將尸體有效固定。
    1.2.2  標(biāo)本動(dòng)脈灌注和定型  將標(biāo)本浸泡在20 ℃的清水中復(fù)溫解凍[5],股動(dòng)脈灌注配好的灌注溶液適量，放入-10 ℃高滲鹽水中冷凍72 h 至完全凍硬,轉(zhuǎn)入包埋程序[6]。
    1.2.3  標(biāo)本的包埋  先配制50 g/L的明膠溶液（加粉紅水彩染料），用作定位桿的充填。配制30 g/L的明膠溶液（加食用藍(lán)色染色劑），填充藍(lán)色明膠溶液至距離包埋容器底7 cm處（第一層明膠）。然后包埋容器放入-15 ℃洗削室內(nèi)使明膠凝固并變硬。24 h后，將已凍硬的標(biāo)本放入包埋容器內(nèi)已凍硬的明膠上面，使標(biāo)本背部的平面和已凍硬的明膠上表面相對(duì)，調(diào)整標(biāo)本的位置，使標(biāo)本下肢末端靠近包埋容器的一端，距離包埋容器的側(cè)壁5 cm，盡量使標(biāo)本頭部上方留下足夠長(zhǎng)度的包埋劑，用于標(biāo)本洗削到最后時(shí)固定標(biāo)本。同法包埋第2、3、4層明膠，冷凍48 h。
    1.2.4  銑切和圖像采集  將機(jī)床銑頭Z軸進(jìn)刀量設(shè)定為0.1 mm 進(jìn)行等間距洗削,每一斷面標(biāo)示斷面序號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)色和長(zhǎng)度比例,調(diào)整相機(jī)光圈值：f=16，采用AV光圈優(yōu)先自動(dòng)曝光，同時(shí)使用交流電適配器，采用自帶IFC?400 PCU接口連線電纜（USB2.0）與裝有Windows XP專業(yè)版的計(jì)算機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)自帶的Canon Utilities EOS Capture軟件控制相機(jī)拍攝。拍攝圖像文件為RAW格式，圖像大小為3 504×2 336像素（大約820萬像素）。 切片圖像數(shù)據(jù)選取從頦部到下頜骨髁突部共計(jì)685張圖像資料,水平分辨率3 504 pixel ×2 336 pixel ,以JPG格式保存。
    1.2.5  二維圖像軟件處理  ①壓縮:在Adobe Photoshop 中,以等分辨率、等尺寸將原始的JPG格式圖片進(jìn)行修整壓縮。圖像定位和切割:根據(jù)原始圖像中的4個(gè)標(biāo)定點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定， 然后將圖像統(tǒng)一分割為3 504×2 336 像素。②色彩模式轉(zhuǎn)化:將RGBA 色彩模式轉(zhuǎn)化為灰度模式,并保存。
    1.2.6  三維重建  對(duì)685 張圖片區(qū)分結(jié)構(gòu)輪廓(下頜骨、牙齒、下頜管),描取每層下頜骨的皮質(zhì)骨外形、牙槽窩輪廓線及下頜管,各層輪廓線均形成閉合曲線。利用Amira  進(jìn)行下頜骨的表面重建及下頜管的重建,得到三維線框模型和實(shí)體模型。對(duì)于所得下頜骨三維模型進(jìn)行表面光滑處理,賦予紋理材質(zhì)并真實(shí)感渲染。
    2  結(jié)    果
    利用可視人的數(shù)據(jù)得到了下頜骨精細(xì)的三維模型, 在三維方向上真實(shí)地再現(xiàn)了下頜骨、下頜牙的解剖形態(tài)，并準(zhǔn)確地顯示下頜管的位置。經(jīng)渲染獲得了下頜骨三維模型(圖1、2 )。
    3  討    論
    三維重建圖像的效果取決于二維數(shù)據(jù)的質(zhì)量及切片的厚度。本實(shí)驗(yàn)采用低溫冷凍銑切,斷面連續(xù),無鋸耗,銑切厚度為0.1 mm ,每個(gè)斷面用820萬像素高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝,每張圖片大小為3 504×2 336像素(約820萬像素) ,盡可能保證了二維圖像的完整性,提高了重建圖像的細(xì)致性和準(zhǔn)確性。

   利用可視人切片厚度達(dá)到0.1 mm的圖片數(shù)據(jù)重建下頜骨,其精度是CT等影像設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的,通過計(jì)算機(jī)重建真實(shí)地再現(xiàn)了下頜骨的解剖形態(tài),較以往得到的下頜骨模型要精細(xì)而準(zhǔn)確，牙齒形態(tài)逼真，下頜管位置可視化。可測(cè)量三維形態(tài)參數(shù),使形態(tài)學(xué)的研究從定性研究向量化發(fā)展。
    獲得的三維模型可從任意角度進(jìn)行整體或局部三維顯示,其最大特點(diǎn)是可編輯性強(qiáng),模型可進(jìn)行任意分割、復(fù)制和存儲(chǔ)。
    下頜骨是頜面部惟一能運(yùn)動(dòng)的骨骼，其外傷在臨床中常見，下頜支矢狀劈開或斜形截骨術(shù)、下頜骨骨折堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定術(shù)、下頜骨牽引成骨術(shù)、下頜骨腫瘤切除術(shù)及下頜后牙種植術(shù)是常見手術(shù)。術(shù)后可產(chǎn)生下唇麻木、功能障礙等并發(fā)癥。若處理不當(dāng)，可能會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。充分了解下頜骨的解剖，了解下頜骨的薄弱部位，了解下頜管的位置，對(duì)于下頜骨外科設(shè)計(jì)及骨折發(fā)生有重要的意義。下頜骨三維重建提供了詳細(xì)的下頜骨解剖資料，為下頜骨疾病的診斷治療提供了可視化的解剖學(xué)依據(jù)。同時(shí)，為人體多器官、多組織重建奠定了基礎(chǔ)，下頜骨結(jié)構(gòu)的數(shù)字化與可視化，為下頜骨的影像診斷、頜面外科手術(shù)、下頜牙的種植等提供了解剖基礎(chǔ)，建立起能夠被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字化模型，使計(jì)算機(jī)的定量分析計(jì)算和精確模擬成為可能。
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